[發明專利]立體打印技術制作三維周期結構超材料的方法

有效

• 申請號: 201410012222.5
• 申請日: 2014-01-10
• 公開（公告）號: CN103692654A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 高勁松;湯洋;梁鳳超;王巖松;馮曉國;方春易;陳新
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: B29C67/00
• 分類號: B29C67/00;B22F5/00
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 王丹陽

技術領域

本發明涉及一種立體打印技術制作三維周期結構超材料的方法，屬于微細加工、微波技術領域。

背景技術

超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料。超材料的內部具有亞波長尺寸的微結構，通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可以突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能，如負介電常數、負磁導率和負折射率等。

超材料為三維交叉結構，結構內部又存在不同介質或金屬的嵌入等情況，在制作中存在難以組合、嵌入、曲面化的技術問題。現有技術中，超材料的制作主要采用分層加工后，用樹脂粘合劑等材料將超材料單元組合，整個過程中存在很多手工操作環節，難以保證制作精度，而且耗時長，不適于批量生產。

立體打印技術是計算機輔助設計與制造、計算機數字控制、激光、材料以及精密伺服等多項技術的發展和綜合。立體打印技術屬于離散堆積成形，即將計算機上的三維零件模型進行網格化處理并存儲，對其進行分層處理，得到各層截面的二維輪廓信息，按照這些輪廓信息生成加工路徑，成型頭在控制系統的控制下，按加工路徑成形各個截面，并逐步順序疊加成三維零件。

發明內容

本發明的目的是解決現有技術中超材料的制備精度差、耗時長的技術問題，提供一種立體打印技術制作三維周期結構超材料的方法。

本發明的立體打印技術制作三維周期結構超材料的方法，包括以下步驟：

步驟一、利用三維建模軟件分別建立超材料中金屬材料結構的三維CAD模型和樹脂材料結構的三維CAD模型；

步驟二、將上述金屬材料結構的三維CAD模型和樹脂材料結構的三維CAD模型離散化，即轉換成STL格式文件；

步驟三、將金屬材料結構的STL文件和樹脂材料結構的STL文件輸入到雙材料立體打印機，金屬材料結構采用金屬粉末為原料，樹脂材料結構采用樹脂材料為原料，同時打印金屬材料結構和樹脂材料結構，得到三維周期結構超材料。

進一步的，所述金屬材料結構的金屬諧振單元小于工作波長的1‰。

本發明的有益效果是：

(1)本發明采用立體打印技術制作三維周期結構超材料，可以制作任意三維周期單元任意面型（平面，曲面，不可展開曲面）的超材料，避免了現有超材料制作中工藝出現的難以組合、嵌入、曲面化等難題；

(2)本發明采用立體打印技術制作三維周期結構超材料充分利用立體打印技術的高精度與高度柔性，將數字化貫穿整個三維周期結構超材料的成型過程，大大提高制作精度、速度并簡化工藝流程；

(3)本發明采用立體打印技術制作三維周期結構超材料可以在打印制作三維周期結構超材料承載基底的同時，打印制作超材料的金屬諧振單元，做到二者的精密融合，提高超材料的精度，提升性能。

附圖說明

圖1為本發明立體打印技術制作三維周期結構超材料的方法的工作原理圖；

圖2為本發明實施方式制作的超材料的三維周期結構超材料周期單元，a為順時針開口諧振環單元，b為十字形金屬條單元。

具體實施方式

下面結合附圖進一步說明本發明。

立體打印技術制作三維周期結構超材料的方法，主要包括以下步驟：

步驟一、三維周期結構超材料仿真設計

在制作三維周期結構超材料前，會根據需要制作的超材料的性能，比如具有吸波特性的超材料，可以改變電磁波輻射方向的超材料等，在專業電磁仿真軟件內建立三維周期結構超材料的模型，三維周期結構超材料仿真設計完成后，得到欲制作的超材料模型；

本發明的制作技術，能夠實現平面、曲面和不可展開曲面等各種平面的三維超材料的快速加工成型，三維超材料的陣子單元也可以為任何結構，如環形諧振單元，H形諧振單元等；本實施方式采用順時針開口諧振環組合與十字形金屬條為周期單元的三維結構超材料，順時針開口諧振環組合單元和十字形金屬條單元的結構分別如圖2中a和b所示；

步驟二、CAD建模

仿真設計的超材料通常由承載基底和金屬周期單元組成，承載基底采用樹脂材料制作，金屬周期單元采用金屬制作；在三維建模軟件里將超材料結構中采用樹脂材料的結構和采用金屬周期單元的結構分離開，分別建立超材料中采用金屬材料的結構的三維CAD模型和采用樹脂材料的結構的三維CAD模型；

步驟三、CAD模型數字化

將上述兩個三維CAD模型進行STL格式化處理，轉化成STL文件，實現CAD模型的分層切片處理，獲得模型的每個二維層片信息；